CC BY
52
2011
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
№ 172
УДК 533.6.011
Ш-Р1У МЕТОД ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО ОБТЕКАНИЯ ГРУЗОВ НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ С ПЕРФОРИРОВАННЫМИ СТАБИЛИЗИРУЮЩИМИ УСТОЙСТВАМИ
В.Т. КАЛУГИН, П.А. ЧЕРНУХА
Приведены результаты экспериментальных исследований обтекания груза-контейнера со стабилизирующими перфорированными и непроницаемыми щитками, размещенными вблизи донного среза. Показано положительное влияние перфорации на нестационарную структуру течения на боковой поверхности груза и его аэродинамические коэффициенты.
Ключевые слова: экспериментальные исследования, груз на внешней подвеске, стабилизирующие щитки.
Введение
Задача стабилизации грузов-контейнеров, транспортируемых к месту назначения на внешней подвеске вертолета, является актуальной. Известно, что вследствие сложной трехмерной нестационарной отрывной структуры течения, сопровождающейся попеременным срывом вихрей с боковой поверхности контейнера, при умеренных и высоких скоростях движения вертолета происходит раскачка груза, приводящая к фатальным последствиям. В настоящее время существуют два подхода, направленных на стабилизацию грузов-контейнеров. Первый предполагает использование активных методов, требующих, как правило, применения дополнительного дорогостоящего оборудования и непосредственного участия пилота. Другим подходом является использование стабилизирующих устройств: парашютов, перфорированных конусов [1] и щитков [2]. В этом случае стабилизация груза происходит без участия пилотирующего состава, что делает использование данного способа стабилизации более привлекательным. Применение стабилизирующих щитков предполагает их размещение непосредственно в области отрывного течения, что приводит к ее существенной трансформации. Как показали результаты комплекса экспериментальных исследований, проведенных авторами работы [2], эффективность использования щитков определяется их геометрическими размерами и местоположением на боковой поверхности груза-контейнера, а также скоростью движения вертолета. Показано, что наиболее эффективными являются щитки, размещенные вблизи кормовой части груза. Также в работе [2] было выявлено, что для всех исследуемых конфигураций щитков существуют режимы обтекания, когда их использование является малоэффективным. Это означает, что щитки различных конфигураций обеспечивают различную степень устойчивости на различных скоростях движения вертолета. Такая неоднозначность приводит к необходимости использования дополнительных подходов, позволяющих повысить эффективность щитков на критических скоростях движения, а также проведения дополнительных исследований, включающих анализ структур течений, формирующихся на боковой поверхности груза. В настоящей работе приведены результаты экспериментальных исследований обтекания груза-контейнера со стабилизирующими щитками, размещенными вблизи донного среза. В качестве способа повышения эффективности использования щитков рассмотрен вариант использования перфорации.
Оборудование и модели для проведения эксперимента
Экспериментальные исследования, включающие визуализацию нестационарного течения на боковой поверхности груза и весовой эксперимент, проводились на дозвуковой аэродинами-
ческой установке замкнутого типа с открытой рабочей частью в немецком аэродинамическом центре DLR, Геттинген. Труба имеет сопло квадратного поперечного сечения размерами 0.7 м х 1м и обеспечивает начальную степень турбулентности потока Tu = 0,15 % при максимальной скорости ида = 60 м/с. В процессе проведения экспериментов модель для исследования, представляющая собой груз-контейнер, выполненный из пластика, высотой h = 0,07м, шириной w = 0,12 м и длиной L = 0,12 м (рис.1 б), крепилась в рабочей части трубы на шестикомпонентных весах. В качестве элементов стабилизации исследовались две пары щитков: неперфорированные и перфорированные щитки со степенью перфорации о = 28,8 % и диаметрами отверстий dj/h = 0,071. Щитки крепились в кормовой части модели (рис. 1 в).
120
а б в
Рис. 1. Модель груза для проведения экспериментальных исследований
Исследования проводились при скорости набегающего потока и» = 10 м/с, что соответствует числу Рейнольдса, рассчитанному по длине модели ReL = 0,8 105, при нулевых углах атаки и скольжения. В процессе экспериментов проводились замеры нестационарных осевой, боковой и нормальной сил, воздействующих на модель, а также визуализация нестационарной (мгновенной) структуры обтекания на боковой поверхности груза. Для этого был использован PIV (Particle Image Velocimetry) метод, позволяющий реконструировать поле скоростей в исследуемой области, основываясь на смещении частиц, вводимых в поток. PIV метод является сравнительно молодым методом оптического исследования, получившим широкое распространение за последние 10 лет в связи с развитием оптических и лазерных систем [3]. Дословно PIV переводится как определение скорости частицы посредством ее изображения. В настоящее время этот метод с успехом используется как для определения поля скоростей в пограничных слоях (при скоростях и < 1 м/c), так и при определении поля течения при стационарном или нестационарном обтекании тел в условиях формирования областей отрывных течений с существенно неравномерным профилем скорости. Общая идея метода заключается во введении в исследуемый поток частиц вещества, подсвечиваемых с помощью лазера в моменты времени t и t + т. За время т, соответствующее задержке между пульсами лазера, частички газа, попавшие в лазерную плоскость, проходят некоторый путь и, таким образом, смещаются из положения 1 в положение 2 (рис. 2). Оба изображения снимаются с помощью камеры и записываются на диск для последующей их обработки. Зная значение т, а также опре-
Рис. 2. Схема классического 2D-2C PIV эксперимента
делив расстояние, пройденное каждой частичкой вдоль оси x и у, рассчитываются значения и направления векторов скорости. Для оценки полученных данных, то есть PIV цифровых изображений, вся область разбивается на элементарные подобласти - окна опроса и методом статистического анализа определяется смещение каждой частицы между первым и вторым пульсом лазера.
При исследовании нестационарных течений, то есть для получения мгновенных картин обтекания, необходимо использование специально разработанных лазеров, функционирующих с частотой до нескольких килогерц, а также специальных высокоскоростных камер, позволяющих зафиксировать изображения в пределах минимального значения т. Метод исследования такого рода течений носит название HS-PIV (High-Speed PIV). В настоящей работе оборудование для проведения HS-PIV исследования включало в себя 100 Вт Nd: YLF лазер Quantronix DarwinDuo, генерирующий лазерный луч длиной волны 527 нм и энергией каждого пульса 30 мДж при номинальной частоте 1 кГц, и высокоскоростную 12 битную 4MP CMOS камеру PCO Dimax, имеющую размер пикселя 11 мкм, время экспозиции от 2 мкс до 40 мс и частоту кадров до 1279 кадров/c при полном разрешении (2016 х 2016) пикселей. В качестве вносимых в поток частиц были использованы масляные пузырьки средним диаметром dp =10 мкм, вводимые с помощью стандартного 12-ти соплового генератора. Поскольку съемка структуры течения должна проводиться в момент подсветки поля течения лазером, необходимо обеспечить синхронную работу этих устройств. На рис. 3 представлена схема триггера камеры и лазера, используемая в настоящем эксперименте.
- Камера
t,MKC
Лазер, Q-switch1
Лазер, Q-switch2
Рис. 3. Схема триггера камеры и лазера
Для удобства представления ось 'сигнал' для пульсов лазера смещена на 1,5 v вниз. Вследствие сравнительно большой области исследования, охватывающей боковую поверхность контейнера и область ближнего следа, частота работы лазера составила 0,5 кГц (увеличение частоты пульсов лазера приводит к уменьшению его мощности и, как следствие, уменьшению размеров исследуемой области). Поскольку для получения одного поля течения необходимо наличие двух снимков, частота работы камеры 1 кГц (период 1000 с) соответствовала фиксации полей скоростей с частотой 0,5 кГц.
На рис. 4 показана модель контейнера с закрылками, установленная в рабочей части трубы, а также система подвода лазерного луча с помощью систем зеркал-AMA (Articulated Mirror Arm) и система линз, предназначенных для преобразования лазерного луча в лазерную плоскость, толщина которой в настоящих исследованиях составила 1 мм - 1,5 мм.
система линз
система подвода лазерного луча к линзам (AMA) --
CMOS камера PCO Dimax
державка
модель груза
Рис. 4. Экспериментальное оборудование и модель в рабочей части трубы
С целью более удобного размещения PIV оборудования, модель контейнера была повернута на 90°, так что щитки располагались на верхней и нижней поверхностях (полученные значения аэродинамических коэффициентов затем пересчитывались в соответствии с исходной ориентацией груза). Это позволило направить лазерную плоскость сверху вниз на расстоянии h/2 от боковой поверхности модели, а размещение камеры на расстоянии 1,5 м от модели совместно с использованием 85 мм Nikon линз позволило добиться оптимальных размеров исследуемой области 158 мм х 250 мм. Также следует отметить, что с целью уменьшения рассеивания света, которое может искажать поле скоростей вблизи поверхности, модель контейнера и щитки были окрашены в черный цвет.
Результаты экспериментальных исследований
На рис. 5 представлены характерные структуры течения, полученные для модели контейнера без щитков, а на рис.6 приведены структуры для модели с неперфорированными (рис. 6 а-в) и перфорированными щитками с dj/h = 0,071 (рис. 6 г-е). Здесь же указаны основные элементы течения, характерные для каждой конфигурации. Направление потока для всех структур слева
x/h
"Фиктивный треугольник" "Фиктивный треугольник"
Отсоединенный вихрь в кормовой
части
Рис. 5. Мгновенные структуры течения при обтекании модели груза без щитков
Общая структура трехмерного течения при обтекании модели без щитков остается аналогичной двухмерной структуре течения вблизи цилиндра, описанной, например, в работе [4]. При больших числах Рейнольдса на боковой поверхности груза формируется система мелкомасштабных вихрей, сходящих с так называемого "фиктивного треугольника", включающего в себя два локальных вихря, формирующихся непосредственно вблизи точки излома поверхности. В кормовой части формируется пара крупномасштабных вихрей, попеременно отрывающихся и движущихся вниз по течению (на представленных структурах виден только один боковой вихрь). При малых удлинениях модели также наблюдается поступление массы газа из области следа на боковую поверхность модели. Для таких режимов течения, характерных для средних и больших чисел Рейнольдса, число Струхаля 8Ь = характеризующее периодич-
ность срыва вихрей с боковой поверхности модели, может стремиться к бесконечности. Отсутствие периодичности процесса при частоте съемки 0,5 кГц было получено и в настоящем исследовании на основе анализа 2000 снимков для каждой конфигурации (что соответствует общему времени съемки 4 с). Тем не менее, возможность выделения характерных структур для каждой конфигурации дает основание предположить наличие периодичности процесса с более высокими числами 8Ь, что требует в дальнейшем увеличения частоты съемки. Наличие щитков на боковой поверхности груза приводит к глобальной смене структуры течения. Как видно из рис. 6 а-в, массообмен между боковой поверхностью и ближним следом отсутствует, а на боковой поверхности формируется существенно нестационарная область отрыва, точка присоединения которой перемещается от положения на поверхности груза (рис. 6 а) вдоль всего щитка
(рис. 6 б). Для такой структуры обтекания характерно также отсутствие "фиктивного треугольника" вблизи передней точки излома поверхности.
х/И
г д е
Рис. 6. Мгновенные структуры течения при обтекании груза со щитками, - область присоединения потока
Наличие сквозных отверстий в щитках (рис. 6 г-е) приводит к массообмену между отрывным течением на боковой поверхности груза и в следе, и, как следствие, стабилизации зоны отрыва на боковой поверхности. Сравнивая полученные структуры течения, видно, что поперечные размеры зоны на боковой поверхности модели и точка присоединения потока остаются практически неизменными по сравнению со случаем обтекания неперфорированных щитков. Приведенные структуры течения свидетельствует о положительном влиянии перфорационных отверстий на течение вблизи боковой поверхности груза.
В табл. 1 даны осредненные значения аэродинамических коэффициентов осевой Сх, нормальной Су и поперечной С7 сил, полученных за 10 с съемки, а также приведены их средние квадратиче-ские отклонения. Несмотря на то, что полученные зависимости аэродинамических коэффициентов являются апериодическими функциями времени, средние квадратические отклонения позволяют проанализировать влияние нестационарной структуры течения на значения соответствующих сил. Использование неперфорированных щитков приводит к возрастанию средних квадратических отклонений коэффициентов Сх Су и с^, что свидетельствует об увеличении степени нестационарности обтекания. Перфорация способствует стабилизации структуры течения и уменьшению средних квадратических отклонений до значений, соответствующих обтеканию груза без щитков. Также значение коэффициента осевой силы Сх вследствие уменьшения площади поверхности щитков снижается на 20 % по сравнению с Сх груза с неперфорированными закрылками. Средние значения коэффициентов нормальной и боковой сил стремятся к нулевому значению.
Таблица 1
Аэрод. коэф. Среднее значение Среднеквадратичное отклонение
без щитков ад=0 ад=0.071 без щитков ад=0 аД=0.071
Сх 1.0419 1.5859 1.2776 0.5236 0.5577 0.5205
СУ -0.0387 -0.0140 0.0402 2.3103 2.3651 2.2898
Сz 0.0066 0.0102 0.0164 1.7188 1.8459 1.7728
Интересно также отметить, что среднее квадратическое отклонение нормальной силы для всех рассмотренных конфигураций на 22 % 25 % больше среднего квадратического отклонения коэффициента 07. Аналогичные результаты были получены авторами работы [5], в которой исследовалось влияние геометрических размеров цилиндра на нестационарные и осредненные значения аэродинамических характеристик. Также авторами работы [2] было замечено ухудшение стабилизирующих свойств щитков при их размещении вдоль большего линейного размера поперечного сечения модели.
В заключение на рис. 7 приведены осредненные структуры обтекания модели груза без и со щитками, полученные в результате осреднения 2000 снимков. Для модели груза без щитков видно наличие двух вихревых зон: на боковой поверхности и в области следа, причем центр вихревой зоны в области следа смещен во внешнюю область течения.
а б в
Рис. 7. Осредненные структуры течения: а - модель без щитков; б - модель со щитками ^/Ь = 0;
в - модель с перфорированными щитками ^/Ь=0,071
Для груза с неперфорированными щитками поперечные размеры зоны на боковой поверхности (вдоль координаты у) несколько меньше по сравнению со структурой 7 а и 7 б, поскольку в данном случае проводилось осреднение поля течения с большими пульсациями скоростей. На рис. 7 в, представляющем осредненную структуру течения вблизи груза с перфорированными щитками, частично видна область инжектируемых в ближний след струй газа. Это позволяет сделать вывод о влиянии перфорации щитков на структуру течения в ближнем следе.
Выводы
Проведенные экспериментальные исследования, включающие весовые испытания и визуализацию нестационарного течения вблизи модели груза-контейнера со стабилизирующими перфорированными и неперфорированными щитками, позволили выявить положительное влияние перфорации на структуру течения и аэродинамические характеристики груза. Было установлено, что перфорация щитков приводит к стабилизации течения на боковой поверхности, некоторому снижению средних квадратических отклонений аэродинамических коэффициентов 0х и 07 и осредненного значения коэффициента продольной силы вследствие уменьшения площади поверхности щитков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Reuben R et al. (2010). Wind tunnel and flight test evaluation of passive stabilization of a cargo container slung load. Journal of the American helicopter society vol.55, 3, 1 - 17.
2. Калугин В. Т., Киндяков Е.Б., Чернуха П.А. Особенности обтекания перфорированных устройств системы стабилизации грузов на внешней подвеске летательных аппаратов // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2010. - № 151. - С. 23 - 27.
3. Raffel M., Willert C., Wereley S., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry. A practical guide. Springer, Berlin. - 2007.
4. Bruno L., Coste N., Fransos D. Analysis of the separated flow around 5:1 rectangular cylinder through computational simulation EACWE5 conference, Florence, Italy, 19-23 July, 2009.
5. Bruno L., Coste N., Fransos D., Bosco A. 3D flow around a rectangular cylinder: A computational study. BBAA VI International colloquium on: Bluff bodies Aerodynamics and Applications, Milano, Italy, July 20-24, 2008.
HS-PIV METHOD OF EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF NON-STABLE FLOW AROUND EXTERNAL LOAD CARGO WITH PERFORATED STABILIZING DEVICES
Kalugin V.T., Chernukha P.A.
The experimental results of flow over a slung load model with perforated and non-perforated flaps are presented. a positive influence of perforation on a dynamic flow structure and aerodynamic coefficients is shown.
Key words: experimental investigations, external load cargo, stabilizing flaps.
Сведения об авторах
Калугин Владимир Тимофеевич, 1949 г.р., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана (1972), доктор технических наук, профессор кафедры динамики и управления полетом ракет и космических аппаратов МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 250 научных работ, область научных интересов - аэродинамика струйных и отрывных течений, проектирование органов управления полетом.
Чернуха Полина Алексеевна, окончила МГТУ им. Н.Э. Баумана (2001), кандидат технических наук, доцент кафедры динамики и управления полетом ракет и космических аппаратов МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор более 30 научных работ, область научных интересов - аэродинамика струйных и отрывных течений, проектирование органов управления полетом.
